JP2019033255A - 圧電材料、圧電素子、および電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の圧電材料は、一般式Nax+s(1−y)(BiwBa1−s−w)1−yNbyTi1−yO3(式中、0.84≦x≦0.92、0.84≦y≦0.92、0.002≦(w+s)(1−y)≦0.035、0.9≦w/s≦1.1)で表わされるペロブスカイト型金属酸化物よりなる主成分と、Mn成分とを有する。Mnの含有量が、ペロブスカイト型金属酸化物に対して0.01mol%以上1.00mol%以下である。
【選択図】なし
Description
Nax+s(1−y)(BiwBa1−s−w)1−yNbyTi1−yO3
(式中、0.84≦x≦0.92、0.84≦y≦0.92、0.002≦(w+s)(1−y)≦0.035、0.9≦w/s≦1.1)
で表わされるペロブスカイト型金属酸化物よりなる主成分と、Mn成分とを有する圧電材料であって、前記Mnの含有量が前記ペロブスカイト型金属酸化物に対して0.01mol%以上1.00mol%以下であることを特徴とする。
また、本発明の電子機器に用いる圧電材料は、鉛とカリウムを使用していないために環境に対する負荷が小さく、製造性の面でも優れている。
本発明は、NN−BTを基本構成とし、良好な圧電定数と機械的品質係数を有し、かつ、誘電正接が小さい非鉛圧電材料を提供するものである。なお、本発明の圧電材料は、誘電体としての特性を利用してコンデンサ、メモリ、およびセンサ等のさまざまな用途に利用することができる。
Nax+s(1−y)(BiwBa1−s−w)1−yNbyTi1−yO3 一般式(1)
(式中、0.84≦x≦0.92、0.84≦y≦0.92、0.002≦(w+s)(1−y)≦0.035、0.9≦w/s≦1.1)
で表わされるペロブスカイト型金属酸化物よりなる主成分と、Mn成分とを有する圧電材料であって、前記Mnの含有量が前記ペロブスカイト型金属酸化物に対して0.01mol%以上1.00mol%以下であることを特徴とする。これにより、十分な圧電定数と良好な機械的品質係数が得られ、かつ、誘電正接を大幅に抑制できる。
本発明の圧電材料の主相(51重量%以上)はペロブスカイト型構造である。主相がペロブスカイト構造であることで、良好な圧電定数を得ることができる。圧電材料の90重量%以上がペロブスカイト型構造であることがより好ましく、圧電材料がペロブスカイト型構造単相であることがさらに好ましい。
原料粉末に用いることができる金属化合物の粉体としては、Mn化合物、Na化合物、Nb化合物、Ba化合物、Ti化合物およびBi化合物を挙げることができる。
造粒する際に使用可能なバインダーの例としては、PVA(ポリビニルアルコール)、PVB(ポリビニルブチラール)、アクリル系樹脂が挙げられる。添加するバインダーの量は、前記圧電材料の原料粉に対して1重量部から10重量部が好ましく、成形体の密度が上がるという観点において2重量部から7重量部がより好ましい。
次に、本発明の圧電素子について説明する。
図1は本発明の圧電素子の構成の一実施形態を示す概略図である。本発明に係る圧電素子は、第一の電極1、圧電材料部2および第二の電極3を少なくとも有する圧電素子であって、前記圧電材料部2を構成する圧電材料が本発明の圧電材料であることを特徴とする。
前記圧電素子は一定方向に分極軸が揃っているものであると、より好ましい。分極軸が一定方向に揃っていることで前記圧電素子の圧電定数は大きくなる。
前記圧電素子の分極方法は特に限定されない。分極処理は大気中で行ってもよいし、シリコーンオイル中で行ってもよい。分極をする際の温度は60℃から150℃の温度が好ましいが、素子を構成する圧電材料の組成によって最適な条件は多少異なる。分極処理をするために印加する電界は800V/mmから7.0kV/mmが好ましい。
前記圧電素子の圧電定数、機械的品質係数および誘電正接(誘電損失ともいう)は、市販のインピーダンスアナライザを用いて得られる共振周波数および***振周波数の測定結果から、電子情報技術産業協会規格(JEITA EM−4501)に基づいて、計算により求めることができる。以下、この方法を共振−***振法と呼ぶ。
次に、前記圧電素子の一実施形態である積層型の圧電素子について説明する。
本発明に係る積層型の圧電素子の製造方法は、特に限定されないが、以下にその作製方法を例示する。まず、少なくともMn、Na、Nb、Ba、TiおよびBiを含んだ金属化合物粉体を分散させてスラリーを得る工程(A)と、前記スラリーを基材上に設置し成形体を得る工程(B)を実行する。その後に、前記成形体に電極を形成する工程(C)と前記電極が形成された成形体を焼結して、積層圧電素子を得る工程(D)を実行する。
本発明に係る電子機器は、前記本発明の圧電素子を備えたことを特徴とする。
図3(a)および(b)は、本発明の電子機器の一例として、本発明の圧電素子を備えた液体吐出ヘッドと該液体吐出ヘッドを用いた液体吐出装置の構成を模式的に示す概略図である。液体吐出ヘッドは、前記圧電素子または前記積層型の圧電素子を配した振動部を備えた液室と、前記液室と連通する吐出口を少なくとも有する。液体吐出装置は、被転写体の載置部と前記液体吐出ヘッドを備える。但し、各部材の形状や配置は図3(a)および(b)の例に限定されない。
図3(b)には、液体吐出装置としてのインクジェット記録装置を例示した。
図4(a)〜(e)は、本発明の電子機器の一例として、本発明の圧電素子を備えた振動波モータと該振動波モータを用いた光学機器の構成を模式的に示す概略図である。振動波モータは、前記圧電素子または前記積層圧電素子を配した振動体と、前記振動体と接触する移動体とを少なくとも有する。光学機器は、駆動部に前記振動波モータを備える。但し、各部材の形状や配置は図4(a)〜(e)の例に限定されない。
図4(c)、(d)、および(e)には、光学機器としての一眼レフカメラの交換レンズ鏡筒を例示した。
また、不図示のマニュアル操作入力部からマニュアルフォーカス環724に光軸周りの回転力が与えられると以下のように作用する。
すなわち、マニュアルフォーカス環724のマウント側端面724bがコロ722の径大部722aと加圧接触しているため、摩擦力によりコロ722が軸720f周りに回転する。コロ722の径大部722aが軸720f周りに回転すると、回転伝達環720が光軸周りに回転する。このとき振動波モータ725は、ロータ725cとステータ725bの摩擦保持力により回転しないようになっている(マニュアルフォーカス動作)。
図5(a)〜(d)は、本発明の圧電素子を備えた振動装置と該振動装置を用いた撮像装置の構成を模式的に示す概略図である。図5(a)および(b)に示した振動装置は、本発明の圧電素子を振動板に配した振動体を少なくとも有しており、振動板の表面に付着した塵埃を除去する機能を有する塵埃除去装置である。撮像装置は、前記塵埃除去装置と撮像素子ユニットとを少なくとも有する撮像装置であって、前記塵埃除去装置の振動板を前記撮像素子ユニットの受光面側に設けている。但し、各部材の形状や配置は図5(a)〜(d)の例に限定されない。
図5(c)は、カメラ本体601を被写体側より見た正面側斜視図であって、撮影レンズユニットを外した状態を示す。図5(d)は、塵埃除去装置と撮像ユニット400の周辺構造について説明するためのカメラ内部の概略構成を示す分解斜視図である。図5(c)に示すカメラ本体601内には、撮影レンズを通過した撮影光束が導かれるミラーボックス605が設けられており、ミラーボックス605内にメインミラー(クイックリターンミラー)606が配設されている。メインミラー606は、撮影光束をペンタダハミラー(不図示)の方向へ導くために撮影光軸に対して45°の角度に保持される状態と、撮像素子(不図示)の方向へ導くために撮影光束から退避した位置に保持される状態とを取り得る。
原料には、ニオブ酸ナトリウム(NaNbO3、純度99.5%以上)、チタン酸バリウム(BaTiO3、純度99.8%以上)、チタン酸ビスマスナトリウム、酸化マンガン(Mn3O4、純度99.9%、モル量としてはMnO4/3として計算)の粉末を用いた。
実施例1と同様の工程で、実施例2から実施例24の圧電材料および圧電素子を作製した。
実施例1と同様の工程で、実施例25から実施例28の圧電材料および圧電素子を作製した。
原料には、酸化ニオブ(Nb2O5、純度99.5%以上)、炭酸ナトリウム(NaCO3、純度99.5%以上)、酸化チタン(TiO2、純度99.8%以上)、炭酸バリウム(BaCO3、純度99.8%以上)、酸化ビスマス(Bi2O3、純度99.5%以上)、酸化マンガン(Mn3O4、純度99.9%)の粉末を用いた。仕込み組成が表1に示すような比率になるように、各原料を秤量して混合し、PVAバインダーを加えて造粒した。
実施例1と同様の工程で、実施例31および実施例32の圧電材料および圧電素子を作製した。
実施例1と同様の工程で、比較例1から比較例8の比較用圧電材料および比較用圧電素子を作製した。
原料には、ニオブ酸ナトリウム(NaNbO3、純度99.5%以上)、チタン酸バリウム(BaTiO3、純度99.8%以上)、チタン酸ビスマスカリウム(Bi0.5K0.5TiO3、純度99.5%以上)、酸化マンガン(Mn3O4、純度99.9%)の粉末を用いた。
次に表2を用いて各実施例および比較例の結果について考察する。
実質的にカリウムを含まない実施例1から実施例32は、一枚の焼結体から得られた3個の圧電素子間の圧電定数のばらつきがカリウムを含む比較例9より小さかった。3個の圧電素子のうち、|d31|の最大値を|d31|max、最小値を|d31|min、3個の圧電定数の平均値を|d31|aveとする。圧電定数のばらつきをv=(|d31|max−|d31|min)/|d31|aveで表す。比較例9はvが0.25であったのに対して、実施例26はvが0.18、実施例1から実施例25および実施例27から実施例32はvが0.1以下と小さかった。
(w+s)(1−y)の値が0.002よりも小さい比較例1は、X線回折測定を行ったときの44度から48度の範囲における最大のピークが低角側にあり、結晶の対称性が十分に低下していなかった。ゆえに、実施例1から実施例32と比べて機械的品質係数が小さく誘電正接が大きい。結果として、素子駆動時の消費電力が増大した。
原料には、ニオブ酸ナトリウム(NaNbO3、純度99.5%以上)、チタン酸バリウム(BaTiO3、純度99.8%以上)、チタン酸ビスマスナトリウム(Bi:Na:Ti=1:1:2)、酸化マンガン(Mn3O4、純度99.9%)の粉末を用いた。
実施例1の圧電素子を用いて、図3(a)に示される液体吐出ヘッドを作製した。入力した電気信号に追随したインクの吐出が確認された。
実施例34の液体吐出ヘッドを用いて、図3(b)に示される液体吐出装置を作製した。入力した電気信号に追随したインクの吐出が記録媒体上に確認された。
実施例33の積層圧電素子用いて、図3(a)に示される液体吐出ヘッドを作製した。入力した電気信号に追随したインクの吐出が確認された。
実施例36の液体吐出ヘッドを用いて、図3(b)に示される液体吐出装置を作製した。入力した電気信号に追随したインクの吐出が記録媒体上に確認された。
実施例1の圧電素子を用いて、図4(a)に示される振動波モータを作製した。交流電圧の印加に応じたモータの回転が確認された。
実施例38の振動波モータを用いて、図4(c)、(d)および(e)に示される光学機器を作製した。交流電圧の印加に応じたオートフォーカス動作が確認された。
実施例33の積層圧電素子を用いて、図4(b)に示される振動波モータを作製した。交流電圧の印加に応じたモータの回転が確認された。
実施例40の振動波モータを用いて、図4(c)、(d)および(e)に示される光学機器を作製した。交流電圧の印加に応じたオートフォーカス動作が確認された。
実施例1の圧電素子を用いて、図5(a)および(b)に示される塵埃除去装置を作製した。プラスチック製のビーズを散布し、交流電圧を印加したところ、良好な塵埃除去率が得られた。
実施例42の塵埃除去装置を用いて、図5(c)および(d)に示される撮像装置を作製した。前記撮像装置を動作させたところ、撮像ユニットの表面の塵を良好に除去し、塵欠陥のない画像が得られた。
実施例33の積層圧電素子を用いて、図5(a)および(b)に示される塵埃除去装置を作製した。プラスチック製のビーズを散布し、交流電圧を印加したところ、良好な塵埃除去率が得られた。
実施例44の塵埃除去装置を用いて、図5(c)および(d)に示される撮像装置を作製した。前記撮像装置を動作させたところ、撮像ユニットの表面の塵を良好に除去し、塵欠陥のない画像が得られた。
2 圧電材料部
3、1013、333、53、503 第二の電極
101、2012、330 圧電素子
102、320 振動板
103 個別液室
104 液室隔壁
105 吐出口
106 連通孔
107 共通液室
1012、331 圧電材料
201、204 振動体
202、205 移動体(ロータ)
203 出力軸
206 バネ
2011 弾性体リング
2013 有機系接着剤
2041 金属弾性体
2042 積層圧電素子
310 塵埃除去装置
54、504 圧電材料層
55、505a、505b 内部電極
506a、506b 外部電極
601 カメラ本体
602 マウント部
605 ミラーボックス
606 メインミラー
200 シャッタユニット
300 本体シャーシ
400 撮像ユニット
701 前群レンズ
702 後群レンズ(フォーカスレンズ)
711 着脱マウント
712 固定筒
713 直進案内筒
714 前群鏡筒
715 カム環
716 後群鏡筒
717 カムローラ
718 軸ビス
719 ローラ
720 回転伝達環
722 コロ
724 マニュアルフォーカス環
725 振動波モータ
726 波ワッシャ
727 ボールレース
728 フォーカスキー
729 接合部材
732 ワッシャ
733 低摩擦シート
890 回復部
891 記録部
892 キャリッジ
896 外装部
897 自動給送部
898 排出部
899 搬送部
Claims (16)
- 下記一般式(1):
Nax+s(1−y)(BiwBa1−s−w)1−yNbyTi1−yO3 一般式(1)
(式中、0.84≦x≦0.92、0.84≦y≦0.92、0.002≦(w+s)(1−y)≦0.035、0.9≦w/s≦1.1)
で表わされるペロブスカイト型金属酸化物と、
Mnと、
を有し、
前記Mnの含有量が、前記ペロブスカイト型金属酸化物に対して0.01mol%以上1.00mol%以下であることを特徴とする、圧電材料。 - 前記ペロブスカイト型金属酸化物の単位格子が、酸素八面体を2つ以上含む構造である、請求項1に記載の圧電材料。
- 前記圧電材料を粉末化してCu−Kα線で2θ−θのX線回折測定を室温で行ったときの2θが44度から48度の範囲における最大のピーク強度をI1、次に大きなピーク強度をI2としたときに、最大のピークが広角側にあり、1.1≦I1/I2≦1.3である、請求項1または2に記載の圧電材料。
- 前記圧電材料のキュリー温度が、200℃以上である、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の圧電材料。
- Pb、K、Mg、Cuの含有量が1000ppm以下である、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の圧電材料。
- 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の圧電材料の製造方法であって、
各々ペロブスカイト型構造を有するニオブ酸ナトリウム、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマスナトリウムを有する混合原料粉を焼成して、前記圧電材料の焼結体を得ることを特徴とする、圧電材料の製造方法。 - 電極と圧電材料部を有する圧電素子であって、前記圧電材料部を構成する圧電材料が請求項1乃至5のいずれか一項に記載の圧電材料であることを特徴とする、圧電素子。
- 前記電極と前記圧電材料部とが交互に積層されている請求項7に記載の圧電素子。
- 請求項7または8に記載の圧電素子を配した振動部を備えた液室と、前記液室と連通する吐出口を少なくとも有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
- 被転写体の載置部と請求項9に記載の液体吐出ヘッドを備えたことを特徴とする液体吐出装置。
- 請求項7または8に記載の圧電素子を配した振動体と、前記振動体と接触する移動体とを少なくとも有することを特徴とする振動波モータ。
- 駆動部に請求項11に記載の振動波モータを備えたことを特徴とする光学機器。
- 請求項7または8に記載の圧電素子を振動板に配した振動体を有することを特徴とする振動装置。
- 請求項13に記載の振動装置を備えたことを特徴とする塵埃除去装置。
- 請求項14に記載の塵埃除去装置と撮像素子ユニットとを少なくとも有する撮像装置であって、前記塵埃除去装置の振動板を前記撮像素子ユニットの受光面側に設けたことを特徴とする撮像装置。
- 請求項7または8に記載の圧電素子を備えたことを特徴とする電子機器。
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